采动作用影响下巷道围岩破坏特征模拟研究∗

张大章

(中铁四院集团新型轨道交通设计研究有限公司，江苏 苏州 215009)

0 引言

巷道围岩控制与井下的安全生产紧密相关，是煤炭安全生产建设中至关重要的环节[1].多条大巷平行布置的情况下，通过改变巷道布置方式或改变开采顺序等措施来保持巷道的稳定[2−4].目前，煤矿通常采用优化巷道设计、卸压和加强支护等措施，主要通过改善围岩的应力、性质和支护这3个因素来对大巷围岩进行控制[5,6].工作面开采改变了巷道周围的应力分布，使得巷道围岩处于不稳定状态，当巷道周围应力超过巷道围岩的强度极限时，巷道极易发生失稳破坏，对煤矿的正常安全生产造成严重影响[7−9].所以，有必要研究停采线位置引起的巷道围岩应力及塑性区形态改变，以保证巷道的稳定.

1 工程概况

1.1 煤层赋存概况

神角煤业现主采2#煤层，位于山西组中部，全区稳定可采，上距1号煤层0.71∼9.96 m，平均3.99 m，煤厚2.15∼3.83 m，平均3.00 m.本煤层内含1∼3层夹矸，其中夹矸成份为炭质泥岩或泥岩，煤层结构总体较简单.2号煤层顶板多为灰黑色的粉砂岩，岩性致密、性脆、胶结较好，单向抗压强度36.7∼51.4 MPa，单向抗拉强度1.34∼1.98 MPa，抗剪强度3.85∼6.15 MPa.煤层底板多为灰黑色的泥岩，多呈块状，岩性脆，单向抗压强度36.7∼58.1 MPa，单向抗拉强度1.34∼1.98 MPa，抗剪强度3.85∼6.15 MPa，遇水时岩石力学参数降低，易发生底鼓现象，但整体隔水性能好.

1.2 大巷地质条件介绍分析

神角矿2#煤层北采区有三条大巷：北轨道运输巷、北回风巷和北胶带运输巷.2#煤层北采区地面标高为+1 347 m∼+1 620 m，井下标高为+970 m∼+1 020 m，地表为山地，无地表水、村庄、建筑物和铁路等.北轨道运输巷东为北胶带运输巷，西为北回风巷，两侧各相隔60 m保安煤柱.北轨道运输巷总长为1 300 m，北胶带运输巷总长为1 360 m，北回风巷总长为1 300 m，巷道布置如图1所示.

图1 煤层大巷布置示意图Fig 1 Layout schematic of coal seam roadways

北采区北回风巷、北轨道运输巷和北胶带运输巷设计为矩形断面，巷道净断面11.2 m2，净宽4.0 m，净高2.8 m，大巷顶、底板岩石情况如表1所示.

表1 大巷顶底板情况Tab 1 Conditions of the roadway roof and floor

神角矿当前回采过程中矿压显现强烈，主要表现在受2311和2302两个回采工作面叠加的采动影响，北胶带运输巷、北轨道运输巷和北回风巷三条大巷靠近井田边界均有近200 m的严重变形段，部分区域大巷顶板下沉量超过500 mm，严重影响矿井正常生产的同时，存在较大的安全隐患（图2）.

因此，本文以神角矿为工程背景，在2#煤层大巷破坏形态现场监测的基础上，以控制巷道围岩塑性区形成和发展为目的，综合分析了双侧大巷位于工作面前方不同距离对巷道塑性区分布的影响，得到了合理的停采线位置，为临近工作面停采线留设提供依据.

2 巷道围岩结构探测

2.1 巷道顶板钻孔窥视

为了解神角矿2#煤层大巷顶板岩性、岩层厚度、分层以及受2311工作面采动影响下顶板围岩裂隙的变化情况，进行顶板钻孔窥视.根据对目标巷道的研究内容及神角矿的实际生产情况，于2311工作面停采4个月后，在北轨道运输巷顶板布置钻孔，此时，2302工作面距离北轨道运输巷450 m左右.在目标巷道布置3个顶板窥视测点，钻孔直径40 mm，孔深8 m，每两个测点间隔50 m.

2.2 顶板钻孔窥视结果分析

现对北轨道运输巷3个窥视点的窥视视频进行整理，并画出各个测点的顶板窥视柱状图，具体见图3∼图5.

图3 北轨道运输巷测点1顶板窥视柱状图Fig 3 The north rail transit lane measuring point 1 roof peep bar chart

图4 北轨道运输巷测点2顶板窥视柱状图Fig 4 The north rail transit lane measuring point 2 roof peep bar chart

由顶板窥视图可以看出，神角矿2#煤层北采区大巷顶板主要以粉砂岩和砂岩为主，部分位置出现细小煤线.顶板浅部完整性较差，离层现象严重，部分区域裂隙和破碎带分布明显，节理裂隙较为发育，顶板深部完整性较好.

图5 北轨道运输巷测点3顶板窥视柱状图Fig 5 The north rail transit lane measuring point 3 roof peep bar chart

3 神角矿采动应力场分布特征研究

工作面回采过程中会在其后方产生采空区，采空区的出现会导致原本煤岩体的应力向工作面前方转移，并与前方煤岩体的初始应力状态相叠加，从而改变原本煤岩体的应力状态[10−13].受开采方式、顶板岩层结构和距离等因素影响会形成复杂的应力变化，工作面前方一定区域范围内会产生应力集中现象，当大巷因为工作面停采线位置不合适而处在应力集中区时，极易因为产生的集中应力超过了围岩能够承受的极限而导致塑性区的产生[14−16].

3.1 采动影响下巷道周围应力变化

根据神角矿北采区现场实际情况：工作面长度200 m，对向开采，中间北轨道运输巷距左右两条巷道各60 m，设计模型大小为：长×宽×高=800 m×300 m×100 m，巷道不开挖.开挖2311工作面后再开挖2302工作面，然后提取y=100 m和y=150 m这两种情况下2311工作面前方240 m区域内的应力.将这两组模拟实验提取的最大主应力、最小主应力的大小和比值与原始状态即工作面不开挖的情况下进行比较，待测区域原始应力情况如图6所示.

图6 待测区域原始应力情况Fig 6 The original stress pattern in the area to be tested

如图7所示，模拟原始的应力状态，开挖2302工作面和2311工作面，模型达到平衡状态时，分别提取y=100 m（工作面正前方一侧50 m）和y=150 m（工作面正前方）两种情况下，工作面前方10∼240 m范围内围岩的主应力情况.

图7 双侧工作面采动下应力提取示意图Fig 7 Schematic diagram of stress extraction under bilateral mining

对提取的最大、最小主应力结果进行分析处理，将最大主应力、最小主应力的大小、比值及主应力角度变化趋势绘制成图，结果如图8、图9所示.

图8 双侧采动下y=100 m工作面前方应力情况Fig 8 Stress of the front face in y=100 m under bilateral mining

图9 双侧采动下y=150 m工作面前方应力情况Fig 9 Stress of the front face in y=150 m under bilateral mining

受工作面采动影响，工作面前方一定区域内出现应力集中，并且伴随着应力比值系数和主应力角度的改变：距离工作面一定区域内，与工作面之间距离相同时，工作面正前方的最大、最小主应力明显大于工作面正前方一侧50 m处的对应最大、最小主应力；开挖2311和2302两个工作面时，在工作面前方10∼240 m范围内，应力角度变化整体呈中心对称，前80 m内，主应力与Z轴夹角减小趋势明显，此后，80∼160 m范围内，主应力与Z轴夹角基本保持不变，160 m之后，随着距工作面距离继续增加，主应力角度急剧减小.

4 北采区大巷围岩塑性区演化规律与破坏特征

4.1 双侧大巷位于工作面前方不同距离下巷道塑性区演化与应力分布特征

根据现场60 m巷间保护煤柱，分别模拟计算两侧大巷位于工作面前方40 m、60 m、80 m、100 m和120 m这5种情况下的应力分布及大巷塑性区分布情况，为合理停采线的确定提供依据.

图10 数值模拟模型示意图Fig 10 Numerical simulation model

图11 巷道开挖后塑性区分布Fig 11 The plastic zone distribution after excavation

模型大小为：长×宽×高=800 m×300 m×100 m，大巷初始的设计参数为4 000 mm×2 800 mm，巷道附近的网格划分为0.2 m.三条巷道Y 方向开挖范围为0∼300 m，工作面Y 方向开挖范围为50∼250 m（实际工作面长度为200 m），模拟结果如图10、图11所示.巷道开挖后三条巷道塑性区形态基本一致，顶板最大破坏深度为0.6 m，底板最大破坏深度为0.8 m，两帮最大破坏深度为1.2 m.

图12∼图16依次为双侧大巷位于工作面前方40 m、60 m、80 m、100 m和120 m这5种距离下，对应的巷道塑性区及周围应力分布情况，其中，图a为巷道周围应力分布，图b为巷道塑性区分布（网格大小为0.2 m）.

图12 双侧大巷位于工作面前方40 m巷道塑性区及周围应力分布Fig 12 Plastic zone and surrounding stress distribution of roadways in front of the working face at 40 m

图13 双侧大巷位于工作面前方60 m巷道塑性区及周围应力分布Fig 13 Plastic zone and surrounding stress distribution of roadways in front of the working face at 60 m

图14 双侧大巷位于工作面前方80 m巷道塑性区及周围应力分布Fig 14 Plastic zone and surrounding stress distribution of roadways in front of the working face at 80 m

图15 双侧大巷位于工作面前方100 m巷道塑性区及周围应力分布Fig 15 Plastic zone and surrounding stress distribution of roadways in front of the working face at 100 m

图16 双侧大巷位于工作面前方120 m巷道塑性区及周围应力分布Fig 16 Plastic zone and surrounding stress distribution of roadways in front of the working face at 120 m

将大巷位于工作面前方不同距离的巷道塑性区进行综合分析，具体情况见图17∼图19.

图17 双侧大巷位于工作面前方不同距离下巷道顶板最大破坏深度变化曲线图Fig 17 The graph of the maximum damage depth of roadway roof at different distances in front of the working face

图18 双侧大巷位于工作面前方不同距离下巷道底板最大破坏深度变化曲线图Fig 18 The graph of the maximum damage depth of roadway floor at different distances in front of the working face

图19 双侧大巷位于工作面前方不同距离下巷道煤帮最大破坏深度变化曲线图Fig 19 The graph of the maximum damage depth of roadway coal buttock at different distances in front of the working face

由图17结合前文巷道塑性区及应力分布图可知：北回风巷在双侧大巷位于工作面前方的距离从40 m至80 m的变化过程中，巷道所处位置逐渐从应力提升区向原岩应力区转移，围岩附近应力明显降低.在此过程中，顶板塑性区最大破坏深度发生非常明显的变化，从2.4 m急剧减少到1.6 m，距离为80 m时，顶板最大破坏深度减小到1.2 m，而且顶板塑性区宽度也发生明显减小.距离从80 m至120 m的变化过程中，巷道所处位置应力变化不明显，基本属于同一梯度范围.距离为100 m时，巷道顶板最大破坏深度减小到1.0 m，随着距离增大，顶板塑性区最大破坏深度变化不明显，基本保持1.0 m不变.北轨道运输巷的变化过程与北回风巷相似，距离从40 m至80 m的变化过程中，顶板塑性区最大破坏深度发生相对明显变化，从1.2 m逐渐减小到0.8 m，顶板塑性区范围也发生相对明显变化，特别是巷道中轴线附近顶板塑性区范围明显减小.距离从80 m至120 m的变化过程中，顶板塑性区最大破坏深度变化不明显，基本保持0.8 m不变.

由图18结合前文巷道塑性区及应力分布图可知：北回风巷在双侧大巷位于工作面前方的距离从40 m至80 m的变化过程中，巷道底板塑性区最大破坏深度发生非常明显变化，从3 m急剧减小到2.2 m，距离为80 m时，底板最大破坏深度减小到1.4 m.距离从80 m至120 m的变化过程中，巷道底板塑性区最大破坏深度变化不明显，从1.4 m减小到1.2 m.北轨道运输巷在距离从40 m至120 m的变化过程中，最大破坏深度的变化速率基本保持一致，从1.6 m逐渐减小到0.8 m，保持在相对较低的范围.底板塑性区范围发生相对明显变化，特别是巷道中轴线附近底板塑性区范围明显减小.

由图19结合前文巷道塑性区及应力分布图可知：北回风巷在双侧大巷位于工作面前方的距离从40 m至80 m的变化过程中，巷道煤帮特别是靠近工作面一侧煤帮塑性区最大破坏深度发生非常明显的变化，从5 m急剧减小到2 m，距离为80 m时，煤帮最大破坏深度减小到1.4 m.距离从80 m至120 m的变化过程中，巷道煤帮塑性区最大破坏深度变化不明显，基本保持1.4 m不变.而且，在40 m至120 m范围内，除了距离40 m时，巷道靠近工作面一侧煤帮的塑性区范围明显超过对侧煤帮塑性区，其余距离下巷道两帮塑性区范围基本一致.北轨道运输巷在距离从40 m至120 m的变化过程中，巷道煤帮基本保持不变，距离40 m时，塑性区最大破坏深度为1.4 m，60 m至120 m距离范围，塑性区基本保持在1.2 m不变.整个过程中，巷道两帮塑性区范围基本一致.

5 结论

（1）神角矿2#煤层北采区受工作面采动影响，工作面前方一定区域内出现应力集中，达到原岩应力的2∼4倍，并且伴随着应力比值系数和主应力角度的改变.工作面前方10∼240 m范围内，随着距离增大，应力比值系数变化呈轴对称，主应力角度变化整体呈中心对称.

（2）双侧大巷位于工作面前方的距离从40 m至80 m的变化过程中，巷道围岩塑性区形态变化非常明显，而距离从80 m至120 m的变化过程中，巷道围岩塑性区形态变化不明显或者基本保持不变.这表明40 m至80 m距离范围内，随着距离的改变，工作面回采对巷道附近产生的应力改变非常明显，而80 m至120 m距离范围内，随着距离的改变，应力改变相对不明显.而且在80 m距离位置下，以目前的支护形式能保证巷道塑性区安全可控，故初步确定神角矿2#煤层合理停采线位置为80 m.